建筑结构优化设计

一． 建筑方案阶段的优化
工程建设设计过程中建筑师往往为了考虑建筑的立面造型和内部空间，反而造成建筑的结构产生许多不合理之处, 和不必要的浪费,这时就需要结构工程师根据对影响建筑造价宏观因素控制的要求主动与建筑师沟通,协调。具体应注意控制以下几点:
1.平面形状：若平面比较规则、凹凸少则用钢量就少，反之则较多，每层面积相同或相近而外墙长度越大的建筑，其用钢量也就越多，平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且还可衡量结构抗震性能的优劣，从这点上分析得知用钢量节约的结构其抗震性能未必就低。
2.平面长度尺寸：即结构单元是否超长，当建筑物较长，而结构又不设永久缝时就成为超长建筑。超长建筑由于必须考虑
3.混凝土的收缩应力和温度应力，它相对于非超长建筑主要对待的仅是荷载产生的应力，其单位面积用钢量显然要多些。平面长宽比：平面长宽比较大的建筑物，不论其是否超长，由于两主轴方向的动力特性（也即整体刚度）相差甚远，在水平力（风力或地震）作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均,往往会增加单位面积用钢量,增加造价. 立面形状：这是指竖向体型的规则性和均匀性，即外挑或内收程度以及竖向刚度有否突变等。如侧向刚度从下到上逐渐均匀变化，则其用钢量就较少，否则将增多，较典型的有竖向刚度突变的设转换层的高层建筑。
4.竖向高宽比：这主要针对高层建筑而言，高宽比大的建筑其结构整体稳定性肯定不如高宽比小的建筑，为了保证结构的整体稳定并控制结构的侧向位移，势必要设置较刚强的抗侧力构件来提高结构的侧向刚度，这类构件的增多自然使得用钢量增多，也就使得其单位面积用钢量相对于平面长宽比接近的建筑物要多。
5.柱网尺寸：包括柱网对直接影响 到楼盖梁板的结构布置。一般而言，柱网大的楼盖用钢量较多，尺寸及其疏密程度，它反之虽则较少，但同时因柱数增多而使柱构件用钢量增加，其中柱端及梁柱节点区内加密箍筋的增加量几乎占全部增加量的 50％。我认为住宅的柱网跨度控制在 4~6 米,厂房的柱网跨度控制在 6~8 米会比较经济合理.当然柱网尺寸较均匀一致不仅使结构（包括柱和梁）受力合理，而且其用钢量要比柱网疏密不一的要节省。
6.抗侧力构件位置：刚度中心与质量中心相重合或靠近，或者抗侧力构件所在位置能产生较大的抗扭刚度，结构的抗扭效应小，因而结构整体用钢量就少，反之则多。
二、 施工图阶段的优化
施工图阶段的优化主要体现在结构工程师对结构设计的具体操作上，首先是结构布置，其次是构件的配筋构造。
结构布置主要包含:
1. 竖向构件布置
1.1 有关柱网大小和疏密，基本上在建筑方案阶段已经确定，抗震墙的合理数量及合适位置一般也在结构工种介入方案设计过程中得到确定。结构设计的具体操作就是合理地确定墙柱截面， 墙柱一般是压弯构件，其配筋量在多数情况下至少是多数部位都采用构造配筋，因此在其混凝土强度等级合理取值且满足轴压比要求的前提下，墙柱截面不宜过大，否则用钢量将随其截面增大而增加。住宅建筑的框架或框架—剪力墙结构，有时为了在室内不露柱角而将柱外露，且为了立面的需要又使柱截面上下一致，这种设计方法对于小高层（十二层以下）住宅是可以接受的，倘若层数再多些，则采用该法肯定会增加用钢量。即使从结构受力角度看，这种设计方法也是不宜提倡的，因楼层荷载在柱位处会产生较大偏心，尤其是角柱。柱截面种类不宜太多是设计中应注意的一个原则，在柱网疏密不均的建筑中，某根柱或为数不多的若干根柱由于轴力大而需较大截面，而建筑考虑便于装修则希望柱截面相同，此时如将所有柱截面放大以求其统一，势必增加用钢量。合理经济的做法应是对个别柱位的配筋采用加芯柱，加大配箍率甚至加大主筋配筋率或配以劲性钢筋以提高其轴压比，从而达到控制其截面尺寸的目的。这里运用的是个别处理总比大面积增加用钢量更科学经济的道理和做法.
1.2 利用竖向交通井道而形成的剪力墙筒体，其外围墙体对结构刚度的贡献最大，而内部墙体则贡献甚微。在满足结构整体刚度的前提下，筒体内部的剪力墙不宜过多过厚和过于零碎，否则会增加该部位墙体用钢量且对结构无大作用。从施工角度看，剪力墙形成的筒体越是完整划一，施工就越方便。从受力角度看，筒体内部隔墙若设梁支承于筒体外围墙上，从而增大外围墙的轴力避免受拉对其受力反而有利，尤其是内筒的角部处。
1.3 如果是高层建筑，墙柱截面还有一个收级问题。从节省用钢量的角度出发，墙柱截面应尽量小，只要符合 50MM 模数，几乎可以每层都收级，但从结构整体特别是从施工角度考虑，一幢高层建筑的墙柱截面变化过于频繁、截面种类过多却不科学，这种只看局部不顾整体、因小失大的做法是不妥当的。正因如此，一幢高 100 米的高层建筑，其柱截面变化在正常情况下应为 3－4 次即每 5－8 层变化一次，表面上虽然有悖于节省用钢量的基本原则，但从混凝土结构的施工效益来看，却是必要和合理的。
2. 水平构件布置
2.1 通常指的是楼层梁板构件， 其布置原则首先是受力传力合理，其次是使用效果（包括视觉效果）良好，最后才是用钢量的节省，设计中不能本末倒置。对于公共建筑的楼层，如结构单元两向主轴尺寸相近，则以两向井字次梁布置；如两向主轴尺寸相差甚大，则区分主、次框架，以典型的交梁楼盖布置，其中板跨控制在约 3 米左右，板厚取 100MM,对于住宅建筑，在 3－4.5 米正常开间情况下，楼板厚度为 100－120MM,应尽量增大板跨，而没必要也不应凡遇隔墙就设梁。当采用高强钢筋时，应使板的配筋由内力控制而非按构造配筋，否则将得不偿失。当板跨小、布梁多时肯定用钢量会增多，而且可能使楼面荷载多次传递，造成受力不合理。
2.2 以桩为基础的地下室底板，采用梁板结构要比采用平板式结构更可节省用钢量，这里所指的“梁板结构”仅指柱网为整间大板的结构，如果柱网中添加了次梁，则不仅使施工更为复杂，而且还会增加用钢量，这一点已在大量工程中得到验证。以竖向交通井道形成的筒体，采用桩基础一般都形成多桩承台。布桩时应使桩处于墙体下，这时承台避免受剪甚至能抗弯，其厚度可较小，采用构造配筋率配筋则其配筋量就较少。但大多情况下，布桩无法都设在墙体下，而使承台受剪受冲切，为了满足其受剪受冲切，设计中应从加大承台厚度或提高承台混凝土强度等级着手，而不宜采用增加配筋来满足其抗剪或抗冲切要求，否则将使用钢量大增。此外，由承台混凝土来满足抗剪抗冲切后，承台的配筋就可采用低配筋率而不应也没必要提高配筋率。
三、主要受力构件的配筋构造的优化：
1.柱：设计中应通过混凝土强度等级的合理确定来控制其截面尺寸和轴压比，使绝大部分柱段都是构造配筋而非内力控制配筋，此时柱主筋就可以按规定的最小配筋率或比其略高的配筋率选择主筋规格；至于柱箍筋的体积配筋率，从计算公式可以看出，采用高强度钢筋比低强度钢筋更可节省用钢量。结构顶层边柱尤其是抽掉中柱的大跨度边柱，往往是大偏心受压，其主筋配筋量由内力控制且都较大，为了降低配筋率来节省用钢量，通常采用改变柱竖向形状的方法，如加腋。如改变后仍难以承受其所承担的弯矩，有时干脆可将梁柱顶节点设计成简支，柱中心受压或小偏心受压，此时的边柱也不必改变竖向形状且截面可较小。
对于多层地下室中负 6 层以下的柱段，由于其抗震等级的降低可使轴压比提高，故节省用钢量的途径有以下几种，包括：柱截面可与负 6 层保持一致而不需加大；非抗震结构的中柱节点区由于有四向梁与之连接，其箍筋可仅沿节点周边设置矩形箍而不需设置复合箍筋；多层及高层住宅建筑通常由于层高不大，柱主筋完全可以每两层连接一次，既减少了竖向钢筋的接头数量，又节约了钢筋。抗震墙：分为加强部位和非加强部位两类， 前者必须按约束边缘构件配筋，后者则按构造边缘构件配筋。不管是节点区还是其余墙段，前者的配筋量均远大于后者，因此在结构设计中严格区分抗震墙的加强部位和非加强部位，对钢筋用量而言是具有很大意义的，而随意扩大抗震墙的加强部位肯定会增加用钢量。
2.抗震墙如能合理地布置、截面合理取值，其配筋多半不是内力控制配筋而是构造配筋，这样其节点区主筋、箍筋以及墙段的水平分布筋的配筋率都可按规范规定的最小配筋率配置。即使因建筑物的重要性等级较高而需要提高其配筋率，也应控制在较小的幅度内，否则将大幅增加用钢量。需要指出的是，抗震墙约束边缘构件中的箍筋配筋量也与钢筋的抗拉强度有关，因此为使其配箍直径不过大、箍筋肢距不过密，使其配箍量不太高，宜采用高强 钢筋。抗震墙中的墙段竖向分布筋通常都不是由内力控制，其作用主要是固定水平分布筋，防止墙面出现水平收缩裂缝，故其间距通常取200.
3.梁：配筋大多由内力控制，但仍有小部分由最小配筋（箍）率控制。从梁主筋最小配筋率及梁箍筋配箍率公式中可以看出，要节约梁的用钢量，一是混凝土强度等级不宜过高，二是采用高强度钢筋，前者不仅可降低最小配筋（箍）率，更重要的是有利于作为受弯构件的梁的抗裂性能。对截面宽度较小的梁，当配筋量较大时往往需要放 2－－3 排钢筋，无疑将减小梁的有效高度，因此当不影响使用或建筑空间观感时，梁宽宜略为放大，尽量布置成单排主筋，尤其是梁截面高度不太大时，以达到节省钢筋的目的。跨度较大的悬臂梁，不论其承受的是均布荷载还是梁端集中荷载，其弯矩内力都是急剧下降的，因此当面筋较多时，除角筋需伸至梁端外，其余尤其是 2 排钢筋均可在跨中切断，既节省钢筋又方便施工， 是一种有效可行的方法。梁承受集中荷载处要配置附加横向钢筋（加密箍筋及吊筋）。
正常结构布置的楼层梁，每一处集中荷载一般都不太大，较大者也仅为少数。在通常情况下，仅在梁侧配置加密箍筋已经足够，若再加配吊筋则已能承受更大的集中荷载。但设计中盲目加大吊筋直径，既没必要又会造成钢材的浪费。楼板：前面已提及现浇混凝土楼板的厚度通常在 100mm 以上，在此条件下宜将板跨增大，使其配筋为内力控制而非构造配筋，按此结果楼板配筋只有采用高强钢筋才能达到节省用钢量的目的。
4.对于大跨度双向板，由于板底不同位置的内力存在差异，设计中不宜以最大内力处的配筋贯通整跨和整宽。为了节省用钢量，一般应分板带配筋， 其次当板底筋间距为 100mm 或 150mm 时，不需将每根钢筋都伸入支座，其中约半数钢筋可在支座前切断。当板面需要采用贯通面筋时，贯通筋的配筋通常不需也不宜超过规定的最小配筋率， 支座不足够时再配以短筋，这样既符合规范规定又可节省用钢量。工程项目设计中结构优化设计的方法多种多样,在建筑结构设计时如何把握好合理性，经济性至关重要。在规范允许范围内，合理把握关键部位及次要构件，什么地方应重点加强，什么地方可以适当放宽，对于整个建筑物保证安全及降低造价影响巨大，这也是我们在今后的设计中要不断提高及改进之处。